On ne doit jamais faire frotter une pièce d'acier qui n'a pas subi les traitements de normalisation, trempe et revenu, éliminant au maximum les structures austénitiques et ferriques. En frottement, on utilise souvent la trempe superficielle et donc les aciers alliés ou spéciaux spécialement conçus pour elle.
Parmi les techniques nouvelles, signalons les traitements localisés par faisceaux d'électrons et par laser. Le durcissement par trempe laser est particulièrement prometteur car il supprime la déformation et l'usinage ultérieur des pièces [22].
-Traitements thermochimiques de diffusion :
Des atomes étrangers, formant des solutions solides le plus souvent interstitielles, distordent les réseaux cristallins et augmentent la dureté superficielle en créant des contraintes résiduelles de compression, ce qui améliore la résistance à la corrosion et à l'oxydation. On distingue :
-La diffusion de métalloïdes, carbone, azote, soufre, bore, par voie liquide (bains de sels) ou gazeuse et plus récemment, par bombardement ionique. Elle concerne 60 000 tonnes de pignonnerie par an dans l'industrie automobile. Le carbone est à la base de presque tous les traitements de l'acier.
-La diffusion de métaux, aluminium et chrome notamment, améliore la résistance à l'oxydation à haute température [22].
-Cémentation :
C'est un cas particulier de la carbonitruration. On carbonitrure en général des pièces peu massives en acier mi-dur sur une profondeur voisine de 0,3 mm, puis on trempe en huile
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57 chaude. La cémentation convient plutôt à des pièces massives en acier doux traitées vers 0,8 mm, puis trempées en huile froide.
On peut cémenter sur une profondeur de plusieurs millimètres. Les atomes de carbone, dont le diamètre vaut 0,63 fois celui des atomes de fer, provoquent de grandes distorsions des réseaux cristallins et s'insèrent mieux dans les structures cubiques que dans les cubiques à face centrée. La diffusion de carbone doit toujours être suivie d'une trempe.
Dans le cas de contacts ponctuels ou linéiques, la profondeur du traitement doit atteindre environ deux fois celle du cisaillement hertzien maximal. La résistance à cœur des pièces est optimale vers 850108 daN/mm2. On dispose de programmes de calcul définissant les caractéristiques des couches cémentées en fonction de l'usage prévu.
La cémentation n'est pas un traitement spécifique de l'usure adhésive, mais on peut la faire suivre d'une sulfuration à basse température. Il est toujours dommage de rectifier les pièces cémentées trempées à cause du relâchement des contraintes résiduelles de compression. La fragilisation des pièces cémentées par l'hydrogène peut être telle que des ruptures fragiles différées se produisent sous des contraintes anormalement basses. Une déshydrogénation aussi complète que possible est obtenue par un revenu sous vide ou dans un gaz inerte.
La cémentation sous vide présente des avantages importants de temps et de coût, tout en diminuant les distorsions des pièces par suite d'un maintien à température moins long. On note comme exemple d’application le traitement d’engrenage du réducteur d’hélicoptères [22].
-Nitruration :
Elle fut découverte en 1923 par un technicien de la firme Krupp qui, ayant chauffé un acier dans une atmosphère d'ammoniac, observa une dureté superficielle anormalement élevée.La nitruration nécessite des aciers contenant un peu d'aluminium, 1,2 % par exemple. L'azote s'intercale dans le fer pour former une solution solide interstitielle et ouvre la voie à des atomes plus gros qui sans lui ne pénétreraient pas. Il se combine en partie avec le fer, mais seulement en surface, pour former du nitrure Fe4N. La nitruration a d'importants avantages : faibles déformations pendant le traitement, dureté élevée, bon frottement même sous
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58 lubrification aléatoire, bonne résistance au revenu et à la corrosion, sauf sur les aciers inoxydables. C'est un traitement « complet » à cause de l'azote qui prévient le grippage et des contraintes résiduelles de compression qui sont créées. L'azote est le métalloïde le plus recommandable pour le frottement du fer sur le cuivre ou le bronze. Les couches nitrurées sont excellentes pour les faibles pressions superficielles et il faut tout tenter pour les utiliser à l'état brut. Leurs propriétés dépendent peu du procédé utilisé mais beaucoup de la microstructure obtenue.Les inconvénients sont le temps de traitement qui peut atteindre 70 h, une faible profondeur durcie donc une faible usure tolérable, peu de résilience, de faibles contraintes et déformations admissibles en service ainsi qu'un léger gonflement des pièces [22].
-Nitruration ionique :
Les Allemands l'ont inventée en 1930 et appliquée en secret aux tubes des canons à longue portée [23]. Ce procédé utilise le plasma d'un arc électrique à basse tension et haute intensité à la pression atmosphérique, arc dans lequel l'azote présent est ionisé. Les ions accélérés percutent la pièce et s'y implantent, le nitrure de fer FeN est absorbé à sa surface et transformé en nitrures d'ordre inférieur. Le four de traitement ressemble à un gros tube à décharge où la cathode supporte les pièces à traiter, l'anode étant constituée par les parois.On peut durcir une pièce dont l'usinage est entièrement terminé. Aucun autre traitement thermochimique ne conserve aussi bien la géométrie et l'état de surface. Il est conseillé pour des aciers de résistance 900 à 1100 N/mm2, d'où la nécessité d'un prétraitement pour obtenir les caractéristiques voulues à cœur. La profondeur courante est 0,3 mm et le gonflement de l'ordre de 5 microns.
-Carbonitruration :
L'introduction simultanée d'azote et de carbone suivie d'un durcissement par trempe améliore la résistance à la fatigue par flexion-torsion, à la fatigue superficielle sous charge modérée et à l'usure abrasive. La profondeur, fonction de l'usure admissible, doit être au moins deux fois celle du cisaillement maximal. Ce traitement n'est pas spécifique de l'usure adhésive [23].
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59 -Boruration :
Le traitement est réalisé entre 800 et 1050 °C, le bore diffusé sur 20 à 400 microns se combine pour donner du borure de fer. On obtient une très grande résistance à l'usure par abrasion et une bonne résistance à la corrosion. Les applications sont variées : hélices, vis transporteuses, poinçons, matrices, pompes pour matières abrasives, guides, glissières, galets, outillage de moulage d'alliages légers ou de zinc. Un procédé moderne s'appelle BORUDIF[23].
-Chromisation :
Ce procédé industrialisé aux U.S.A. [23], dès 1919 est une cémentation au chrome donnant une couche superficielle extrêmement dure et un excellent coefficient de frottement. Après 90 minutes à 1075 °C dans des vapeurs de fluorure de chrome, la couche de diffusion atteint 0,1 mm. Le procédé français DIKROM utilise l'iodure de chrome. L'acier chromisé porte un véritable revêtement de carbures de chrome extrêmement durs provoqué par la rétrodiffusion du carbone de l'acier vers la couche chromisée
-Stanal :
Ce traitement contre l'usure, le grippage et la corrosion est une diffusion de divers métaux, principalement d'étain. Après dépôt électrolytique d'un alliage poly-métallique, la diffusion et la liaison entre la couche et le support sont assurées par chauffage à 600 °C. Ce traitement qui concerne la majorité des alliages ferreux et fontes est difficile en présence de nickel, de chrome ou de plus de 2 % de carbone.
La facilité de lubrification sous très forte charge, la sécurité sous lubrification aléatoire, multiplient plusieurs dizaines de fois la durée de vie de pièces frottant dans l'eau douce ou salée sans huile ni graisse. La résilience est accrue et le frottement de certains aciers inoxydables devient possible [23].
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60 Forez :
Le respect de la règle des trois couches est idéal : on crée une couche superficielle très mince à base d'étain, une couche de diffusion dure et ductile forme des phases dures de l'alliage binaire cuivre-étain, capable d'accommoder et de régénérer par frottement le manteau protecteur d'étain, et une zone de transition réalise l'accrochage des couches superficielles.
Le gonflement est de 25 à 30 microns, les pièces doivent être finies avant traitement. Le Forez multiplie la charge de rupture des films d'huile, augmente la résilience ainsi que la résistance à la fatigue et à la corrosion. Il permet par exemple de remplacer le bronze des roues de réducteurs à roue et vis sans fin par de l'acier [23].
-Manganisation :
Une diffusion de manganèse forme en surface une structure d'acier Hadfield qui durcit très fortement par écrouissage. On peut si nécessaire produire simultanément une sous-couche carburée. Parmi les applications : frottement dans l'eau, cames, engrenages, pistes de roulement [23].
-Chromaz :
Combinaison d'une nitruration et d'un revêtement de chrome. L'association des deux techniques n'est pas évidente : les sociétés sont rarement spécialistes de l'un et de l'autre, par ailleurs il est très difficile de préparer une surface nitrurée pour la chromer correctement. Le nouveau traitement est actuellement appliqué pour des outillages de forge [23].
-Traitements de diffusion divers :
Les aciers inoxydables peuvent être durcis par l'étain déposé par immersion et diffusé pendant 48 h : le composé défini FeSn dissout le nickel et le chrome et forme une couche continue de dureté élevée [23].
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61 -Traitements de conversion :
-Tenifer :
Trois heures à 560-565 °C dans un bain de cyanures avec soufflage d'oxygène, donnent sur les aciers au carbone une couche superficielle de 10 à 15 microns (épaisseur à ne pas dépasser) de cémentite Fe3C et de nitrure de fer Fe4N, très dure mais adhérente et peu fragile, et une sous-couche de plusieurs dixièmes de mm contenant du nitrure de fer et de l'azote. Le Tenifer diminue la sensibilité de l'épiderme aux soudures, améliore la dureté superficielle et les qualités frottantes, augmente la résistance à l'usure, à la corrosion, et peut doubler la résistance à la fatigue. On traite des pièces variées : essieux, vilebrequins, engrenages, chemises de moteurs, glissières, galets, vis, poinçons, moules de coulée d'alliages légers, fusées de roues, axes, leviers, pièces de pompes à eau, de machines à coudre, à calculer, à écrire [23].
-Sulfurations en général :
Comme on le verra dans le chapitre consacré aux lubrifiants, le soufre joue depuis longtemps un grand rôle dans les problèmes de frottement. Son action reste pourtant mystérieuse et la composition exacte des couches obtenues par sulfuration n'est pas exactement élucidée. On traite des matériaux divers :
• fers, fontes et aciers,
• aciers inoxydables et réfractaires à moins de 25 % de nickel et 15 % de chrome, • aciers rapides,
• bronze sans aluminium ni plomb.
On ne frotte pas les pièces traitées par sulfuration sur du chrome dur et de les usiner par abrasion [23].
-Sulfinuz :
Nécessite 3 h à 550°C dans un bain de sels assez complexe comprenant une base inactive de chlorures et carbonates alcalins et alcalinoterreux et des sels actifs soufrés protégés par du cyanure. Il y a surcarburation des couches superficielles et introduction interstitielle de soufre
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62 et d'azote qui favorisent mutuellement leur pénétration. L'enrobage des grains facilite l'accommodement avec un minimum d'écrouissage.
Le Sulfinuz n'abaisse pas le coefficient de frottement mais la microcouche de sulfure de fer inhibe les soudures tandis que les contraintes résiduelles de compression peuvent augmenter de 60 % la pression au-delà de laquelle apparaissent les premières fissures de surtension. Il n'y a pas d'augmentation de la dureté, contrairement à ce que l'on pourrait croire.
Le Sulfinuz est un traitement cher, mais qui peut résoudre des problèmes de frottement à chaud. L'association nitruration plus Sulfinuz est la meilleure solution contre l'abrasion par fil, à condition de ne jamais rectifier entre les deux traitements [23].
-Sulficad :
Le Sulfinuz amélioré par la présence de cadmium permet à l'acier de frotter sur les alliages légers. Le fort abaissement du coefficient de frottement permet des applications dans les milieux oxydants, aqueux, ou en ambiance marine. Le Sulficad s'applique sur des pièces terminées, éventuellement très précises. Ses applications sont toutefois limitées en raison de la toxicité du cadmium [23].
-Sursulf :
Traitement entre 560 et 570 °C pendant 2 à 5 h dans un bain non polluant de cyanates et carbonates alcalins. La teneur en cyanures est faible, même en cas d'incident, l'adaptation d'installations pour le Sulfinuz et le Ténifer est immédiate et la consommation de sels très réduite.
La couche de nitrures et sulfures de fer, épaisse de plus de 20 microns, est très dure et très ductile. La diffusion d'azote atteint 0,5 mm. Les propriétés antigrippantes sont remarquables, comme la tenue à l'usure, à la fatigue et à la corrosion. On traite tous les aciers qui peuvent supporter la température prescrite [23].
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63 -Sulfurations à basse température [23]:
Elles concernent des pièces déjà traitées par cémentation, carbonitruration, trempe, revenu et rectification éventuelle. Ces traitements courts et très simples ne provoquent ni déformation, ni chute de dureté importante, mais ils peuvent diminuer la résistance à la fatigue et faciliter la corrosion par l'huile.
-L'HEPATISATION agit à 140-150 °C en milieu liquide. Le traitement, de 10 min à 1 h, donne une couche gris-noir.
-La NITRUCOLORATION est une nitruration suivie d'une hépatisation.
-Le SULF BT est une électrolyse en bains de thiocyanates fondus vers 185-195 °C qui donne en 10 min. une couche de sulfure de fer épaisse de 57 microns, avec une perte de cote de 46 microns au diamètre.
-La SULFURATION IONIQUE donne en 1h à 200 °C une couche de sulfure de fer hexagonal de 2 à 4 microns de couleur variable du gris au verdâtre.
-Phosphatation :
Les phosphatations modernes font intervenir du zinc pour obtenir une couche de phosphate double de fer et de zinc qui peut être imprégnée. La phosphatation au zinc ou PARKERISATION est dite cristalline par opposition à la phosphatation amorphe. En emboutissage et tréfilage, la phosphatation des tôles permet de retenir suffisamment de lubrifiant. La phosphatation au manganèse ou PARCOLUBRITE crée à la surface des pièces en acier une couche de 4 à 5 microns de phosphates complexes de fer et de manganèse capables de retenir un film lubrifiant, voir un lubrifiant solide dans une résine polymérisable. Applications : segments de pistons, chemises, tiges d'amortisseurs [23].
-Pentratage :
Par oxydation puis huilage (c'est une manière de brunissage), on obtient une surface d'un beau noir profond améliorant le frottement et la lubrification.
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64 -Traitements des alliages légers :
Les alliages d'aluminium sont peu adaptés au frottement à cause de la solubilité de l'aluminium dans la plupart des métaux et en particulier dans l'acier, et de sa sensibilité à la déchirure par frottement excessif et surcontrainte de traction [23].
-Zinal :
Un dépôt galvanique à base de cuivre et d'indium chauffé pendant 3 h vers 170 °C forme sur 15 à 20 microns une couche de diffusion parfaitement homogène et régulière, dure, conductrice de la chaleur et de l'électricité, pouvant suivre sans se briser les déformations éventuelles du substrat. Il se produit un gonflement de l'ordre de 15 microns.
L'indium ralentit tout grippage contre l'acier ou le chrome, la pièce s'en recouvre dès le début du frottement, permettant même le glissement dans l'ultravide. On note une amélioration de la tenue des films d'huile. Les meilleurs antagonistes sont les aciers, le chrome dur, le molybdène et dans certains cas les alliages d'aluminium. Le Zinal permet de remplacer par l'aluminium les alliages cuivreux des fourchettes de boîtes de vitesses, le bronze ou l'acier revêtu de molybdène des cônes de synchroniseurs. On l'utilise aussi pour les convoyeurs ou les freins d'automobiles.
-Oxydation anodique :
Elle forme en surépaisseur une couche d'alumine de 0,04 à 0,1 mm, à la fois très dure et très résistante à l'usure, mais de faible conductivité thermique et sensible aux chocs et aux surpressions hertziennes. Cette couche est poreuse et on peut « remplir » les pores par des films de lubrifiants liquides ou solides.
-Traitement des alliages cuivreux :
Le DELSUN traite les principaux alliages cuivreux, bronzes et laitons. Un dépôt chimique poly métallique (étain, cadmium, antimoine, indium) diffuse de 1 à 2 heures à 400 °C. Cela crée une phase très dure et très ductile en surface, couverte d'un fin manteau anti-grippage régénéré lors du frottement. Il est quasi impossible de faire gripper un acier et un matériau antagoniste traité, les performances restent correctes dans l'eau, d'où l'emploi en robinetterie. La surépaisseur vaut 7,5 microns et la rugosité optimale avant traitement 1 à 3 microns. Le
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65 DELSUN double les pressions hertziennes tolérables et augmente la résistance à l'abrasion. On l'utilise sur des synchroniseurs, coussinets, fourchettes, engrenages, roues à vis sans fin, écrous, vérins, chemises, segments, clapets, vannes, tiges de commande, matrices pour tôles inoxydables, matériel électrique, pompes à engrenages [23].